有限单元法模拟地下水流的水头反常现象——对流量计算的作用

地下水流数值模拟是定量研究地下水水量和水质的重要手段。为揭示有限单元法水头反常现象形成的原因,以三维非均质模型为例,刻画了水头反常现象。储量集中法(Lumped Mass方法)是有限单元法中储释水量计算的替代算法,可以改善水头反常现象。对结点控制区域的均衡性质进行了研究,分析了使用Lumped Mass方法时的水头反常现象,结果表明:结点控制区域的对流量计算受到该结点所在层及其相邻层水力坡度的影响;在抽水初始阶段,抽水井结点水头快速下降,导致相邻层中相邻结点控制区域的侧向流入量为正值,控制区域为储水过程,结点水头上升,表现出水头反常现象。因此,有限单元法中对流量的计算是引起水头反常现象的原因。     

均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解

渗流场水头分布计算是进行渗流量和渗流水力坡降计算的基础,准确、有效地求取渗流场水头分布是渗流计算的关键环节。对均质非饱和土体一维稳态流的流动方程进行分析,考虑到渗透系数是与基质吸力相关的函数,通过数学变换,给出了稳定渗流场的解析通式,并基于渗透性函数中的Gardner模型,给出了非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解。该解析通式表明,均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布主要受地表水头、深度和流动率3个因素控制。分别计算了一维稳态蒸发条件下粉土和黏土两种典型土类水头沿垂直方向的分布。计算结果表明：稳态蒸发条件下粉土层和黏土层内的水头分布表现出相似的变化规律,即自地表至地下水位处随着土层深度的增加,水头分布呈现出加速递减的趋势;在相同的蒸发条件下,对于相同深度处的黏土和粉土而言,黏土层内水头更高些;对同一种土类而言,在较大的蒸发状态下同一深度处土层内水头更高。反之,则较低。     

东昌路地铁车站降承压水引起的地面沉降研究

从东昌路地铁车站降承压水的实际出发,根据野外实测数据,利用降承压水理论以及降承压水的特殊工况,对水头,水头与时间的关系以及在抽水过程中水头的异常现象作出了客观的分析.并试图通过实测结果和图表的理论分析,寻找上海地区降承压水水头分布范围及其与地面沉降之间的一般规律.     

煤层底板隔水层阻抗高压水侵入机理及其控制因素

通过专门设计的物理模型,模拟了不同水文地质与工程地质性质的阻水岩层对其底板高压水侵入过程的阻抗能力,以及不同水压条件下高压水侵入导升过程中的水头损耗。得出了高压水在侵入导升带内的水头损耗分布特点及数量特征;研究了高压水在其上覆阻水岩层中的侵入高度及其最终驻点的残余水头压力;重新评价和改进了突水系数的计算方法。结果表明:隔水层的原始导高带对含水层水头具有较大的消减作用,作用于有效隔水层的实际水头压力远小于含水层的水头压力。      

坝基两道防渗墙水头分担情况有限元分析

深覆盖层坝址上的高心墙堆石坝,在河床覆盖层中常设置两道混凝土防渗墙防渗。采用开发的有限元软件,参照砂卵石覆盖层深度近50 m的某心墙堆石坝工程的情况,分析了主、副防渗墙6种设置方案中坝基的稳定渗流场,得到了主墙、副墙和覆盖层的水头分担比例。所有方案中河床覆盖层上的水头都小于3 %。当主、副两道墙下部灌浆情况相同、端部之间设置灌浆帷幕封堵绕渗时,副墙承担的水头接近主墙;如果取消封堵绕渗的帷幕,副墙承担的水头下降到总水头的20 %～30 %;而副墙底部和主、副墙两端均不设帷幕的情况,副墙上承担的水头比例下降到总水头的8 %～11 %。副墙位于主墙的下游侧时,其上承担的水头比例比副墙位于主墙上游侧的情况略高。防渗墙承担的水头比例取决于墙整体的防渗能力,而对防渗墙本身的厚度变化不敏感。     

西安市地下水与地面沉降地裂缝耦合关系及风险防控技术

西安市地面沉降地裂缝发育,世界罕见,一直是该领域研究的热点地区。近年来又出现新的发展趋势,严重制约城市发展和威胁地铁等重大工程安全运营。笔者依据254个地下水动态监测资料,总结了西安地下水资源开发历史与地下水头动态变化规律,耦合分析了地面沉降地裂缝与地下水位下降之间的关系,提出了基于地下水头管理的地面沉降地裂缝风险防控技术。结果显示:西安市地面沉降地裂缝是多种因素综合作用的结果,其发生和发展过程及其严重程度均与地下水头下降密不可分,并受黏性土层厚度的影响;空间上地下水头降落漏斗中心与地面沉降中心基本吻合,时间上地面沉降发育时间滞后地下水头降落2-3年,沉降速率是地下水头每下降1m的累计最大地面沉降量50mm;地下水头回升会引起短时和少量地面回弹量,并能够缓解或遏制地面沉降。挖掘历史地下水头与地面沉降地裂缝监测数据,建立了基于地下水头的地面沉降地裂缝预警阈值和风险防控技术。     

低温水入渗条件下土壤水分温度动态变化

自制土槽试验装置,室内模拟低温水在河岸带土壤中非饱和入渗的过程。以填装中细砂为研究对象,进行了3种不同水头下的低温水入渗试验,对低温水在土壤中的入渗过程和水分、温度时空动态作了连续监测,分析了水头对入渗参数、水分场与温度场的影响规律。试验结果表明:在相同时间内,入渗水头越高,湿润锋垂直(水平)运移距离越大,垂直湿润锋的运移速度随入渗时间的增加有逐渐减少的趋势,最后逐渐趋于稳定;水头5 cm作用时入渗率波动较大,稳定时间大于水头25 cm和45 cm作用时土壤达到稳定入渗率所需的时间;入渗水头越高,平均温度下降越快,温度场也更快地达到相对稳态,水头25 cm在低温水入渗420 min后基本上达到稳态,水头45 cm在240 min后基本达到稳态。     

非均质性对非饱和-饱和系统 水流时空变化的作用

通过模拟均质和非均质两种情形下非饱和-饱和系统中压力水头的时空变化,研究非饱和-饱和系统对水流波动的 阻尼作用和系统非均质性对水流波动的作用。结果显示,两种情形下非饱和-饱和系统对水流波动均有阻尼作用,随深度 增加,压力水头波动减弱,方差、自协方差和功率谱减小;压力水头在早期因初始条件做非平稳波动,而后随时间增长演 变为平稳波动;系统的非均质性加剧了压力水头的波动,是波动的主要来源,使得压力水头方差、自协方差和功率谱增 大;非均质性减小压力水头波动的短期相关性。     

海潮引起有越流的滨海承压含水层地下水头变化的数值模拟

海潮波动可以引起海岸带有越流的承压含水层地下水头发生波动。建立了基于有限差分法的滨海地区一维承压含水层地下水运动数值模型。通过将潮汐波动概化为正弦波,分别对初始水头水平及线性倾斜的承压含水层模拟了滨海地区有越流的承压含水层地下水头随潮汐波动的变化。通过对两种情形下的变化比较,结果表明,受海潮影响的滨海承压含水层地下水头与海潮有相似的波动特征,但变幅减小,受海潮的影响程度与离海岸的距离有关,随着离海岸距离的增加,地下水头的变幅及潮汐效率呈负指数函数衰减,水头倾斜情形下变幅更小,潮汐效率更小,滞后时间更短,地下水头对海潮的滞后时间随距离呈线性增加。     

多层地下水的水头分布

地下水水头在含水层中的分布已有许多研究成果 ,但在相对隔水层中的分布还缺乏深入研究。主要讨论多层地下水的水头分布 ,尤其是含水层之间的相对隔水层中的地下水水头分布 ,在理论上探讨如何确定地下水对建筑物的浮力。